CN101244753B - 具有多种运动和反馈模式的运动训练脚踏车 - Google Patents

Abstract

具有多种运动和反馈模式的运动训练脚踏车，它涉及一种具有多种功能电刺激运动模式、表面肌电信号和力反馈功能，可以在室内室外进行运动训练的多功能脚踏车，以解决现有运动康复器械存在的功能单一、只能在室内固定地点活动的问题。本发明的脚踏车，根据控制模块的控制信号为使用者提供四种运转方式；控制模块根据肌电信号模块的反馈信号调整脚踏车的运转方式，并根据脚踏车的运转方式发送控制信号给功能电刺激模块；功能电刺激模块，根据控制模块的控制信号生成刺激模式，并对使用者的腿部肌肉进行电刺激；肌电信号模块，采集脚踏车的使用者肌群皮表的肌电信号，并对该肌电信号进行分析，并将肌肉疲劳度反馈给控制模块。

Description

具有多种运动和反馈模式的运动训练脚踏车

技术领域

本发明涉及一种具有多种功能电刺激运动模式、表面肌电信号和力反馈功能，可以在室内室外进行运动训练的多功能脚踏车，属于保健和康复医学工程领域。

背景技术

近年来车祸、脑卒中等意外事故和疾病导致的运动功能障碍后遗症患者日益增多，对这类患者目前还没有有效的药物或手术治疗方法，只有通过运动训练得到部分或者完全康复。传统的方法是治疗师利用手法进行治疗，最近很多医院都引进德国RECK公司生产的MOTOmed运动器械，对瘫痪、痉挛、帕金森氏综合症和肌肉无力等患者进行被动(完全依靠电机)、助力(电机+人力)和主动(关闭电机电源，完全依靠人力)康复训练，获得了很好的治疗效果。

但MOTOmed运动器械存在价格昂贵的缺点，而且没有功能电刺激运动重建模块和表面肌电信号监视反馈模块，能够实现的功能较少。而利用功能电刺激使截瘫患者腿部功能能够进行主动锻炼，可以避免患者肌肉萎缩导致腿部功能退化。监测主要肌群皮表的肌电信号有以下作用：a)让使用者实时看到自己肌肉的发力情况，提供视觉反馈信息，增强使用者进行运动训练的兴趣和信心；b)当肌电信号低于或者高于某个值，让电机或者功能电刺激器工作，由肌电信号自动控制主动、被动、助力和功能电刺激模式之间切换，提高康复效果；c)提供安装保护，当肌电信号显示肌肉已经达到疲劳时，控制电机或者刺激器停止工作，以免给使用者造成伤害；d)通过肌电信号的变化，了解运动训练过程中，主要肌群的参与程度，为疾病诊断和制定康复训练策略提供依据。此外，MOTOmed运动器械只能在室内固定地点使用，不能在室内室外移动，如果能够在室内室外移动，更能增强使用者乐趣和成就感，提高训练的主动性和效果。

发明内容

本发明现有运动康复器械存在的功能单一、只能在室内固定地点活动的问题，提供一种具有多种运动和反馈模式的运动训练脚踏车。本发明由以下单元组成：

脚踏车1，根据控制模块2的控制信号为使用者提供电机5驱动脚蹬链轮转动并同时带动脚踏车1运动、电机5驱动脚蹬链轮转动但不带动脚踏车1运动、电机5不驱动脚蹬链轮转动但带动脚踏车1运动和电机5停机仅靠脚蹬链轮驱动脚踏车1运动的四种运转方式；脚踏车1由车架、车轮、转向、座椅7、变速传动装置、减速器6和动力装置七个部分组成；

控制模块2，根据肌电信号模块4的反馈信号调整脚踏车1的运转方式，并根据脚踏车1的运转方式发送控制信号给功能电刺激模块3；

功能电刺激模块3，根据控制模块2的控制信号生成刺激模式，并对使用者的腿部肌肉进行电刺激；

肌电信号模块4，采集脚踏车1的使用者肌群皮表的肌电信号，并对该肌电信号进行分析，并将肌肉疲劳度反馈给控制模块2。

有益效果：本发明对现有的运动康复器械进行改造使之能够在室内室外的环境中使用，增强了使用者对运动训练的兴趣和信心；本发明还增加了功能电刺激功能模块和肌电信号功能模块，能够适用于多种身体状况的使用者，并且可以让使用者了解自己的身体状况；另外本发明在现有脚踏车的基础上进行改进，增加了多种功能的同时制造成本较现有的运动康复器械也有很大程度的降低，尽管本发明是针对运动功能障碍后遗症患者进行康复训练为背景提出的，但并不局限于运动功能障碍后遗症患者，同样也适于健康人进行运动训练和娱乐。

附图说明

图1是本发明的电路结构示意图；图2是本发明的整体结构示意图；图3是减速器空档状态的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：参见图1和图2，本实施方式由以下单元组成：

脚踏车1，根据控制模块2的控制信号为使用者提供电机5驱动脚蹬链轮转动并同时带动脚踏车1运动、电机5驱动脚蹬链轮转动但不带动脚踏车1运动、电机5不驱动脚蹬链轮转动但带动脚踏车1运动和电机5停机仅靠脚蹬链轮驱动脚踏车1运动的四种运转方式；

控制模块2，根据肌电信号模块4的反馈信号调整脚踏车1的运转方式，并根据脚踏车1的运转方式发送控制信号给功能电刺激模块3；

功能电刺激模块3，根据控制模块2的控制信号生成刺激模式，并对使用者的腿部肌肉进行电刺激；

肌电信号模块4，采集脚踏车1的使用者肌群皮表的肌电信号，并对该肌电信号进行分析，并将肌肉疲劳度反馈给控制模块2。

脚踏车1用于承载整个系统，对现有脚踏车进行改造，能够将患者的蹬踏运动转换为车体的运动，可根据不同的患者进行相应的调节，使患者更加舒适；还能够根据患者不同的训练要求进行四种不同的模式选择，还能通过操纵杆进行室内室外训练转换。功能电刺激模块3用于刺激瘫痪患者，使瘫痪患者腿部肌肉能够进行收缩运动，通过有规律的刺激瘫痪患者腿部肌肉群重建患者的蹬踏运动，功能电刺激模块3包括功能性电刺激器，模式发生器，模式发生器以功率闭环控制的控制器的脉宽输出为输入信号，通过曲柄角度和曲柄速度生成实时的刺激模式，它包括8个通道的刺激电流刺激脉宽，模式发生器通过串口通讯传送给电刺激器，电刺激器产生刺激脉冲刺激肌肉。肌电信号模块4的硬件主要由一个肌电信号检测装置和一台计算机组成，肌电信号检测装置共有四个通道，每个通道由与一根导连线相连的三个一次性自贴式电极片提取一块肌肉皮表的肌电信号；从皮表检测到的肌电信号传输至高阻抗和高共模抑制比的三运放前置差动放大器进行预放大；经预放大后的信号传输给50Hz工频带阻滤波器、滤除50Hz工频干扰信号；经工频滤波后的信号然后传输高低通滤波器，滤除5Hz以下和500Hz以上的干扰信号；经滤波处理的信号传输给主放大器，进行最后一次放大；经主放大器放大后的信号传输给USB接口的A/D数据采集电路转成数字信号，最后用USB导线把转成数字信号的肌电信号传送到上位计算机，由肌电信号软件进行进一步的处理。

具体实施方式二：参见图3，本实施方式与具体实施方式一的不同点在于所述脚踏车1中的减速器6由电机输入轴1-1、前链输出轴1-2、中间轴1-3、后链轮输入轴1-4、第一齿轮Z1、第二齿轮Z2、第三齿轮Z3、第四齿轮Z4、第五齿轮Z5、第六齿轮Z6、第七齿轮Z7、第八齿轮Z8和第九齿轮Z9组成，第八齿轮Z8固定套接在电机输入轴1-1上，第九齿轮Z9固定套接在前链输出轴1-2上，第四齿轮Z4、第五齿轮Z5和第六齿轮Z6都固定套接在中间轴1-3上，第七齿轮Z7活动套接在中间轴1-3上，第四齿轮Z4与第九齿轮Z9相啮合，第五齿轮Z5与第八齿轮Z8相啮合，第四齿轮Z4与第七齿轮Z7之间设置有第一牙嵌式离合器1-5，第六齿轮Z6与第七齿轮Z7之间设置有第二牙嵌式离合器1-6，第一齿轮Z1和第三齿轮Z3固定套接在后链输出轴1-4上，第一齿轮Z1与第五齿轮Z5相啮合，第二齿轮Z2活动套接在后链输出轴1-4上，第二齿轮Z2与第六齿轮Z6相啮合，第三齿轮Z3与第七齿轮Z7相啮合，第一齿轮Z1与第二齿轮Z2之间设置有第三牙嵌式离合器1-7，第三齿轮Z3与第二齿轮Z2之间设置有第四牙嵌式离合器1-8。

脚踏车1由车架、车轮、转向、座椅7、变速传动装置、减速器6和动力装置七个部分组成。车架由前架11、中架12和后架13构成，其位置安排为前中后；前架11主要用于安装脚蹬8等设备；中架12用于安装前轮9、座椅7、电机5和减速器6等设备；后架13用于安装后轮10；前架11和后架13可以通过中架12调整长度，使其能够适应不同的使用者；车轮由两个前轮9和一个后轮10组成；转向由转向手柄和拉杆14等组成，转向手柄设置在座椅7下方，通过拉杆14拉扯前轮9转动实现转向；座椅7位于中架12上方，采用人体仿生学流线设计，实现坐姿仰角连续可调，有利于减少患者的运动疲劳；变速传动装置固定在车架一侧，链条将后拨、张紧轮、减速器6、脚蹬8、电机5联系到一起，实现了电机5、后轮10和腿之间传动；减速器位于中架12和座椅7之间，是通过齿轮间的相互啮合，来传递不同轴的转动，通过机械换档机构实现四种变速功能：当第二齿轮Z2与第一齿轮Z1咬合、第七齿轮Z7不动时，由电机5驱动后轮10转动，而前链轮不动，实现电机5不驱动脚蹬链轮转动但带动脚踏车1运动的功能；当第七齿轮Z7与第四齿轮Z4咬合，第二齿轮Z2不动时，由电机5驱动前链轮转动，而后链轮不动，实现电机5驱动脚蹬链轮转动但不带动脚踏车Z1运动的功能；当第二齿轮Z2与第一齿轮Z1咬合，第七齿轮Z7与第四齿轮Z4咬合时，由电机5驱动前链轮和后链轮都转动，实现电机5驱动脚蹬链轮转动并同时带动脚踏车1运动的功能；当第二齿轮Z2与第一齿轮Z1咬合，第七齿轮Z7与第四齿轮Z4咬合时，电机5停机，实现仅靠脚蹬链轮驱动脚踏车1运动的功能。

具体实施方式三：参见图1，本实施方式与具体实施方式一的不同点在于所述控制模块2由以下单元组成：

力矩传感器(SRM)2-1，设置在脚踏车1的脚蹬8上并将采集的使用者作用在脚蹬8上的力矩信号发送给数据转换器2-3；

轴编码器2-2，设置在脚踏车1的脚蹬8上并将采集的脚蹬8旋转角度信号发送给数据转换器2-3；

数据转换器2-3，将来自力矩传感器2-1和轴编码器2-2的数字信号转换成模拟信号后发送给数据采集卡2-4；

数据采集卡2-4，将来自数据转换器2-3的模拟信号发送给计算机2-5；

计算机2-5，对来自数据采集卡2-4的数据进行分析，并根据分析结果将控制信号发送给脚踏车1的电机5的开关装置和功能电刺激模块3。

控制模块2的软件主要由功率闭环控制、电机闭环控制和肌电信号控制模块组成。功率闭环控制系统通过采集力矩传感器2-1和轴编码器2-2的信号得到患者输出功率，将反馈功率与参考功率进行比较将差值作为控制器的输入，控制器通过相应的控制算法生成脉宽信号送入功能电刺激模块。电刺激模块3根据脉宽调节输出脉宽是患者输出功率改变达到功率闭环控制。电机闭环控制系统通过采集轴编码器2-2的信号，对此信号微分得到曲柄处速度，将此速度与参考速度差值作为电机闭环控制器的输入，电机闭环控制器经过相应的值，送入电机控制器进行闭环控制。肌电信号模块4将此状态与肌肉疲劳极限进行比较，如果疲劳超过极限值时输出保护信号，此时控制模块2将关闭电刺激和电机。

具体实施方式四：参见图1，本实施方式与具体实施方式一的不同点在于所述肌电信号模块4包括以下单元：

信号采集模块4-1，将采集的肌电图(sEMG)信号发送给信号分析模块4-2；

信号分析模块4-2，对信号采集模块4-1采集的肌电图信号进行时域、频域和时-频域分析，并将分析结果发送给疲劳监测模块4-3；

疲劳监测模块4-3，根据信号分析模块4-2的分析结果对使用者的肌肉疲劳程度进行监视，并将疲劳程度信号发送给控制模块2。肌电图采样频率为1000Hz，信号采集模块4-1还可以对基线飘移、工频信号干扰和高低通滤波等进行预处理来去除肌电图中的干扰信号；信号采集模块4-1采用巴特沃滋(Butterworth)滤波器，去除500Hz以上和2Hz以下的噪声信号，并采用双向滤波方法以消除由于滤波引起的移相，其传递函数为：

$H_1\left(Z\right)=\frac{0.245+0.245Z^{-1}+0.7349Z^{-2}+0.7349Z^{-3}}{(1-0.9752Z^{-1}+{2.95Z}^{-2}-{2.9749Z}^{-3})*{10}^6}$

$H_2\left(Z\right)=\frac{0.1667+{0.1667Z}^{-1}+{0.5Z}^{-2}+{0.5Z}^{-3}}{1+{0.3333Z}^{-2}}$

信号分析模块4-2包含的时域分析方法有：全波整流(FWR)、短时平均能量(STAE)、绝对值分段积分(Absolute Integral Value，AIV)、平均绝对值(MAV)、短时上升过零间隔(ZCT)、过零点数(ZC)、斜率变化率(SSC)、均值(MV)、方差(VAR)、均方根(RMS)、移动平均值(MOV)和自相关分析；信号分析模块4-2包含的频域分析方法有：AR模型估计功率谱、功率谱密度(PSD)、中值频率(MFT)；信号分析模块包含的时频域分析方法有：短时傅立叶变换(STFT)、小波变换(WT)。

疲劳监测模块4-3采用能够衡量肌肉的活跃程度的中值频率作为疲劳指标，能够疲劳监视采用中值频率。肌电图采样频率为每秒1000Hz，计算窗口为1000个数据点，移动窗口为10个数据点(即10ms得出一个疲劳指数)；自开始监视时刻计时，由0至1000个数据(即1秒钟)计算出第一个时刻的疲劳指数，然后由10至1010数据点计算出第二个时间的疲劳指数，依此类推，一直到肌电图疲劳监视过程结束。中值频率具体计算公式和参数如下：

${\∫}_0^{F_m}S\left(f\right)\mathrm{df}={\∫}_{F_m}^{\∞}S\left(f\right)\mathrm{df}$

其中，S(f)为肌电图功率谱密度函数，将S(f)平分为两个相等面积的频率值Fm就是中值频率。疲劳监测模块4-3能自动计算并存储Fm最大值M_Fm，并默认当Fm为0.65倍M_Fm时为发生疲劳现象；当疲劳监测模块4-3认为发生疲劳现象后，可通过计算机2-5的扬声器发出一个提醒信号，并自动发给控制模块2一个疲劳指令，由控制模块2进行运动模式切换。当Fm为0.65倍M_Fm时为发生疲劳现象的默认设置，可以根据使用者具体情况人工进行重新设置。

具体实施方式五：参见图1，本实施方式在具体实施方式四的基础上增加了反馈训练模块4-4，将信号采集模块4-1采集的肌电图显示给使用者参考运动过程中肌肉发力的状况。

反馈训练模块4-4主要用于肌电图视觉反馈训练，使用者可以通过显示屏观察到运动过程中肌肉发力的情况。本实施方式采用能够反映与肌肉发力大小有关的肌电图功率的绝对值积分(IAV)作为视觉反馈指标，肌电图的采样频率为每秒1000Hz，计算窗口为100个数据点，移动窗口为10个数据点(即10ms得出一个疲劳指数)，即自开始视觉反馈时刻计时，由0至100个数据(即0.1秒钟)计算出第一个时刻的反馈指标，然后由10至110数据点计算出第二个时间的反馈指标，依此类推，一直到肌电图视觉反馈过程结束。绝对值积分(IAV)具体公式和参数如下：

$\mathrm{AIV}=\mathrm{\Δt}\·\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left|x_k\right|$

其中，N表示肌电图数据点数，k＝1，2，3，....，100，x_k是第k个sEMG的幅值，Δt为采样时间间隔1ms。

Claims (5)

1.具有多种运动和反馈模式的运动训练脚踏车，其特征在于它由以下单元组成：

脚踏车(1)，根据控制模块(2)的控制信号为使用者提供电机(5)驱动脚蹬链轮转动并同时带动脚踏车(1)运动、电机(5)驱动脚蹬链轮转动但不带动脚踏车(1)运动、电机(5)不驱动脚蹬链轮转动但带动脚踏车(1)运动和电机(5)停机仅靠脚蹬链轮驱动脚踏车(1)运动的四种运转方式；脚踏车(1)由车架、车轮、转向、座椅(7)、变速传动装置、减速器(6)和动力装置七个部分组成；

控制模块(2)，根据肌电信号模块(4)的反馈信号调整脚踏车(1)的运转方式，并根据脚踏车(1)的运转方式发送控制信号给功能电刺激模块(3)；

功能电刺激模块(3)，根据控制模块(2)的控制信号生成刺激模式，并对使用者的腿部肌肉进行电刺激；

肌电信号模块(4)，采集脚踏车(1)的使用者肌群皮表的肌电信号，并对该肌电信号进行分析，并将肌肉疲劳度反馈给控制模块(2)。

2.根据权利要求1所述的具有多种运动和反馈模式的运动训练脚踏车，其特征在于所述脚踏车(1)中的减速器(6)由电机输入轴(1-1)、前链输出轴(1-2)、中间轴(1-3)、后链轮输入轴(1-4)、第一齿轮(Z1)、第二齿轮(Z2)、第三齿轮(Z3)、第四齿轮(Z4)、第五齿轮(Z5)、第六齿轮(Z6)、第七齿轮(Z7)、第八齿轮(Z8)和第九齿轮(z9)组成，第八齿轮(Z8)固定套接在电机输入轴(1-1)上，第九齿轮(Z9)固定套接在前链输出轴(1-2)上，第四齿轮(Z4)、第五齿轮(Z5)和第六齿轮(Z6)都固定套接在中间轴(1-3)上，第七齿轮(Z7)活动套接在中间轴(1-3)上，第四齿轮(Z4)与第九齿轮(Z9)相啮合，第五齿轮(Z5)与第八齿轮(Z8)相啮合，第四齿轮(Z4)与第七齿轮(Z7)之间设置有第一牙嵌式离合器(1-5)，第六齿轮(Z6)与第七齿轮(Z7)之间设置有第二牙嵌式离合器(1-6)，第一齿轮(Z1)和第三齿轮(Z3)固定套接在后链输出轴(1-4)上，第一齿轮(Z1)与第五齿轮(Z5)相啮合，第二齿轮(Z2)活动套接在后链输出轴(1-4)上，第二齿轮(Z2)与第六齿轮(Z6)相啮合，第三齿轮(Z3)与第七齿轮(Z7)相啮合，第一齿轮(Z1)与第二齿轮(Z2)之间设置有第三牙嵌式离合器(1-7)，第三齿轮(Z3)与第二齿轮(Z2)之间设置有第四牙嵌式离合器(1-8)。

3.根据权利要求1所述的具有多种运动和反馈模式的运动训练脚踏车，其特征在于所述控制模块(2)由以下单元组成：

力矩传感器(2-1)，设置在脚踏车(1)的脚蹬(8)上并将采集的使用者作用在脚蹬(8)上的力矩信号发送给数据转换器(2-3)；

轴编码器(2-2)，设置在脚踏车(1)的脚蹬(8)上并将采集的脚蹬(8)旋转角度信号发送给数据转换器(2-3)；

数据转换器(2-3)，将来自力矩传感器(2-1)和轴编码器(2-2)的数字信号转换成模拟信号后发送给数据采集卡(2-4)；

数据采集卡(2-4)，将来自数据转换器(2-3)的模拟信号发送给计算机(2-5)；

计算机(2-5)，对来自数据采集卡(2-4)的数据进行分析，并根据分析结果将控制信号发送给脚踏车(1)的电机(5)的控制器和功能电刺激模块(3)。

4.根据权利要求1所述的具有多种运动和反馈模式的运动训练脚踏车，其特征在于所述肌电信号模块(4)包括以下单元：

信号采集模块(4-1)，将采集的肌电图信号发送给信号分析模块(4-2)；

信号分析模块(4-2)，对信号采集模块(4-1)采集的肌电图信号进行时域、频域和时-频域分析，并将分析结果发送给疲劳监测模块(4-3)；

疲劳监测模块(4-3)，根据信号分析模块(4-2)的分析结果对使用者的肌肉疲劳程度进行监视，并将疲劳程度信号发送给控制模块(2)。

5.根据权利要求4所述的具有多种运动和反馈模式的运动训练脚踏车，其特征在于所述肌电信号模块(4)还包括反馈训练模块(4-4)，将信号采集模块(4-1)采集的肌电图显示给使用者参考运动过程中肌肉发力的状况。

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